(57)【要約】【課題】酸素濃度の低下を抑え、濃縮酸素量を増加させた酸素濃縮装置を提供することを目的とする。【解決手段】カソード電極２側の筐体５に設けられた内気を取り出す流出口１０と外気を取り込む流入口８と、前記流入口８に外気を送るための空気供給装置４とを備えたものである。これによって、カソード電極２側の筐体５に滞留している窒素を追い出すことができるため、酸素濃度の低下を抑えることができる。したがって、濃縮酸素の発生量を増加させることができる。【選択図】図１
2006137992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性を有する固体電解質にカソード電極とアノード電極を形成した酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子を加熱するヒータと、前記酸素ポンプ素子に電圧を印加する電源と、前記ヒータと酸素ポンプ素子とを収納する筐体と、前記筐体の内側に位置し前記酸素ポンプ素子の外側に設けられた断熱材と、前記カソード電極側の筐体に設けられた内気を取り出す流出口と外気を取り込む流入口と、前記流入口に外気を送るための空気供給装置とを備えた酸素濃縮装置。
【請求項２】
酸素ポンプ素子に流れる電流量に応じて空気供給装置による外気の供給量を変化させるようにした請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
外気を加熱する加熱手段を備えた請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
外気を取り込む流入口に連なる流入管は、筐体の外周部に密着して形成した請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。
【請求項５】
内気を取り出す流出口に連なる流出管は、筐体の外周部に密着して形成した請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。
【請求項６】
外気を取り込む流入口に連なる流入管と内気を取り出す流出口に連なる流出管が密着して形成された請求項1または２に記載の酸素濃縮装置。
【請求項７】
内気を取り出す流出口に連なる流出管の一部がアノード電極側の筐体内部に連結され、カソード電極側の内気とアノード電極側の内気を混合するようにした請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。
【請求項８】
固体電解質がランタンガレート系の金属酸化物である請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的に酸素イオンを移動させることにより、空気中の酸素を分離、濃縮して高濃度酸素を供給する酸素濃縮装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の酸素イオン導電性基板からなる酸素濃縮装置は、外気を自然拡散によってカソード電極の近傍まで取り込むものであった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプを示すものである。図９に示すように、酸素イオン導電性の固体電解質１の一方にカソード電極２、もう一方にアノード電極３が形成されている。電極２、３に通電することにより、カソード電極２の近傍の酸素がイオン化し、固体電解質１を通過してアノード電極３まで到達する。カソード電極２側の空間には失った酸素分子数に相当する空気が、自然拡散によって取り込まれる。
【特許文献１】国際公開第９６／２８５８９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、カソード電極２側では空気から分離されて残った窒素が滞留することになり、カソード電極２近傍の酸素濃度が低下する。酸素イオンとして移動させる酸素量が少ないときは、自然拡散による移動でもカソード電極２近傍の酸素量が不足することはないが、酸素を多量に分離する場合は、酸素イオンとして移動する酸素量がカソード電極２近傍の酸素濃度に依存するようになる。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、空気を強制的にカソード電極近傍に導入することによって、酸素濃度の低下を抑え、濃縮酸素量を増加させた酸素濃縮装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素濃縮装置は、カソード電極側の筐体に設けられた内気を取り出す流出口と外気を取り込む流入口と、前記流入口に外気を送るための空気供給装置とを備えたものである。
【０００７】
これによって、カソード電極側の筐体に滞留している窒素を追い出すことができるため、酸素濃度の低下を抑えることができる。したがって、濃縮酸素の発生量を増加させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の酸素濃縮装置は、大気に比べて濃縮された高濃度酸素を大量に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、酸素イオン導電性を有する固体電解質にカソード電極とアノード電極を形成した酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子を加熱するヒータと、前記酸素ポンプ素子に電圧を印加する電源と、前記ヒータと酸素ポンプ素子とを収納する筐体と、前記筐体の内側に位置し前記酸素ポンプ素子の外側に設けられた断熱材と、前記カソード電極側の筐体に設けられた内気を取り出す流出口と外気を取り込む流入口と、前記流入口に外気を送るための空気供給装置とを備えた酸素濃縮装置とすることにより、カソード電極側の筐体に滞留している窒素を追い出すことができるため、酸素濃度の低下を抑えることができる。したがって、濃縮酸素の発生量を増加させることができる。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明において、酸素ポンプ素子に流れる電流量に応じて空気供給装置による外気の供給量を変化させるようにすることにより、電流に応じて必要最小な酸素量を取り込むことによって、エネルギー損失を最小に抑えつつ、高濃度の酸素量を増加させることができる。つまり、必要以上の外気の取り込みは酸素ポンプ素子を冷却してしまうため、エネルギー損失となるが、カソード電極側に酸素が特定量以上あれば分離する酸素量は電流量に依存しているので、エネルギー損失を最小に抑えつつ、高濃度の酸素量を増加させることができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、外気を加熱する加熱手段を備えることにより、流入する外気によって酸素ポンプ素子が冷却されるのを防ぐことができる。すなわち、酸素ポンプ素子を高温に維持することができるため、安定した酸素発生量を確保でき、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。
【００１２】
第４の発明は、特に、第１または第２の発明において、外気を取り込む流入口に連なる流入管は、筐体の外周部に密着して形成することにより、筐体は高温となっているため、この熱を利用して流入する外気を温めることができ、ヒータなどの装置を必要としない。
【００１３】
第５の発明は、特に、第１または第２の発明において、内気を取り出す流出口に連なる流出管は、筐体の外周部に密着して形成することにより、流出管は加熱された内気によって高温となっているため、この熱を利用して筐体を温めることができる。これにより、エネルギー損失を抑えて高温に維持することができ、安定した酸素発生量を確保し、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。
【００１４】
第６の発明は、特に、第１または第２の発明において、外気を取り込む流入口に連なる流入管と内気を取り出す流出口に連なる流出管を密着して形成することにより、高温の流出管と室温の流入管を密着させることで熱交換が起こり、加熱用ヒータのエネルギーを抑えることができる。またエネルギー損失を抑えて高温に維持することができるため、安定した酸素発生量を確保でき、高濃度酸素の供給量を増加させることができる。
【００１５】
第７の発明は、特に、第１または第２の発明において、内気を取り出す流出口に連なる流出管の一部がアノード電極側の筐体内部に連結され、カソード電極側の内気とアノード電極側の内気を混合するようにすることにより、空気供給装置によってカソード電極側に空気を送り込むと同時に、アノード電極側の酸素を押し出すことができる。流出管の全てが連結されていると酸素を濃縮することはできないが、一部だけであれば、カソード電極側の窒素を取り除くと同時に、分離酸素量を増加させ、また濃縮酸素の噴き出し流量を増加させることができる。
【００１６】
第８の発明は、特に、第１または第２の発明において、固体電解質がランタンガレート系の金属酸化物であることにより、ランタンガレートは輸率がほぼ１．０の高酸素イオン導電体であり、低酸素濃度の還元雰囲気にも劣化しにくい材料である。したがって、空気供給装置による空気の供給量が不足した場合でも、酸素ポンプ素子の劣化を抑えることができ、安定した高濃度酸素の供給を行うことができる。
【００１７】
以下、本発明の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
図１、図２は、本発明の実施の形態１における酸素濃縮装置を示すものである。
【００１９】
図に示すように、本実施の形態における酸素濃縮装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質１にカソード電極２とアノード電極３を形成した酸素ポンプ素子１５と、前記酸素ポンプ素子１５を加熱するヒータ６と、前記酸素ポンプ素子１５に電圧を印加する電源１６と、前記ヒータ６と酸素ポンプ素子１５とを収納する筐体５と、前記筐体５の内側に位置し前記酸素ポンプ素子１５の外側に設けられた断熱材７と、前記カソード電極２側の筐体５に設けられた内気を取り出す流出口１０と外気を取り込む流入口８と、前記流入口８に流入管を介して外気を送るための空気供給装置４とを備えたものである。
【００２０】
固体電解質１のカソード電極２側は酸素を取り込む側であり、アノード電極３側は酸素を放出する側である。固体電解質１は、酸素イオン導電性を有する金属酸化物であり、イットリア安定化ジルコニアなどの汎用的な固体電解質でも良いが、ランタンとガリウムを組成に持つランタンガレート系のペロブスカイト型酸化物がより好ましい。特に、輸率がほぼ１．０となるよう他の金属を添加したものが好ましい。本実施の形態ではストロンチウムとマグネシウムを添加して焼結させたランタンガレートを、直径３０ｍｍ、厚み０．２ｍｍに加工して用いる。
【００２１】
カソード電極２とアノード電極３には、白金や銀などの貴金属、サマリウムとコバルトから成る金属酸化物などを用いる。これら電極２、３は、スクリーン印刷による塗布や蒸着、スパッタリングによって形成する。本実施の形態では、サマリウムとコバルトを組成とした電極を、スクリーン印刷によって直径２６ｍｍ、厚み１０〜２０μｍとなるよう成形した。そして各電極２、３から直径０．８ｍｍの白金線をリード線として取り出した。
【００２２】
また、ステンレス線をマイカ枠に巻いたヒータ６が、酸素ポンプ素子１５の直下に配置されている。また、酸素ポンプ素子１５の周りは、断熱材７によって覆われている。ここで、断熱材７はシリカの粉末を充填して形成された多孔体で、通気性と断熱性を併せ持つものである。断熱材の厚みは６０〜８０ｍｍとした。
【００２３】
また、酸素ポンプ素子１５とヒータ６、断熱材７を収納したステンレス製の筐体５には、外気を取り込む内径６ｍｍの流入管９と、内気を取り出す内径２ｍｍの流出口１０が４箇所設けられ、流入管９には空気供給装置４が接続されている。本実施の形態では、空気供給装置４は流入管９に接続されているが、流出口１０と接続して吸引しても良い。空気供給装置４は、ファンやブロアー、または小型ポンプを使用することができる。本実施の形態では、流量を変化させることができる小型ポンプを使用した。
【００２４】
以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用を説明する。
【００２５】
まず、ヒータ６に通電することにより、酸素ポンプ素子１５を６００℃程度に加熱する。そして、カソード電極２とアノード電極３に直流電圧を印加すると、カソ−ド電極２側の酸素分子はカソ−ド電極２から電子を受け取り、酸素イオンとして固体電解質１に取り込まれて、アノ−ド電極３まで移動する。アノ−ド電極３に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノ−ド電極３側の筐体５内部に排出される。ヒータ６への入力量は約５０Wである。
【００２６】
酸素濃縮装置を動作させたときの、酸素ポンプ素子１５に印加した電圧と流れた電流の関係を図２に示す。酸素供給量を増やす（流量３００ｍｌ／ｍｉｎ）ことで、電流（酸素イオン）を大きく流すことができる。すなわち、濃縮酸素の発生量を増加させることができる。一方、酸素供給量が足りないとき（流量０ｍｌ／ｍｉｎ、流量１００ｍｌ／ｍｉｎ）は、印加する電圧を大きくしても限界があり、電流を大きくすることができない。これは、カソード電極２側に窒素が滞留して酸素濃度を低下させているためである。
【００２７】
以上のような構成で、空気流量を３００ｍｌ／ｍｉｎとすることで１０Ａ（１００％の酸素が約４０ｍｌ／ｍｉｎ）以上を流すことができ、濃縮酸素の発生量を増加させることができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における酸素濃縮装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００２９】
本実施の形態では、特に、空気供給装置４に供給量を可変させるための電圧制御装置１１を備えている。
【００３０】
図２に示したように、特定の電流を得るために、最小の空気供給量がある。例えば、電流で４Ａだけ必要な場合（濃縮酸素の発生量を絞る場合）、流量３００ｃｃ／ｍｉｎの空気を供給するまでもなく、流量１００ｃｃ／ｍｉｎの空気供給量で必要十分である。一方、流量１００ｃｃ／ｍｉｎ未満であれば、どんなに印加電圧を大きくしても、所定の電流量を得ることはできない。電圧制御装置１１は、所定の電流量に対応した最適な流量を得られるように、空気供給装置４の電源電圧を制御するものである。これによって、空気の供給量が最小となるため、空気供給装置４のエネルギーを抑えられるだけでなく、酸素ポンプ素子１５の冷却も抑えることができるため、安定した濃縮酸素を多量に発生させることができる。
【００３１】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における酸素濃縮装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
本実施の形態では、特に、空気供給装置４から送られた空気を加熱する加熱手段１２が設けられている。ここで加熱手段１２は、スレンレス線をマイカ枠に巻いた空気加熱用ヒータ１３が断熱材７によって覆われた構造をしている。
【００３３】
以上のように構成とすることによって、予め加熱された空気がカソード電極２側に取り込まれるため、酸素ポンプ素子１５の温度低下を避けることができ、安定した動作を行うことができる。
【００３４】
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４における酸素濃縮装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態では、特に、外気を取り込む流入管９は、筐体５の外周部に密着して形成されている。流入管９と筐体５はステンレス製であるが、銅などの熱伝導性のよい金属を用いても良い。
【００３６】
以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用は実施の形態１と同様であるが、流入空気を筐体５の１５０℃の熱によって加熱することができるため、酸素ポンプ素子１５を加熱するヒータ６の消費電力を低下させることができる。
【００３７】
（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における酸素濃縮装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
本実施の形態では、特に、内気を取り出す流出口１０に連なる流出管１４は、筐体５の外周部に密着して形成されている。流出管１４と筐体５はステンレス製であるが、銅など熱伝導性の良い金属を用いても良い。
【００３９】
以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用は実施の形態１と同様であるが、６００℃程度に加熱された内部の空気によって筐体５が加熱されるため、酸素ポンプ素子１５を加熱するヒータ６の消費電力を低下させることができる。
【００４０】
（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６における酸素濃縮装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００４１】
本実施の形態では、特に、外気を取り込む流入口８に連なる流入管９と、内気を取り出す流出口１０に連なる流出管１４とが密着して形成されている。流入管９と流出管１４とはステンレス製であるが、銅など熱伝導性の良い金属を用いても良い。
【００４２】
以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用は実施の形態１と同様であるが、６００℃程度に加熱された内部の空気によって流入管９が加熱され、その中の外気が加熱されるため、酸素ポンプ素子１５を加熱するヒータ６の消費電力を低下させることができる。
【００４３】
（実施の形態７）
図８は、本発明の実施の形態７における酸素濃縮装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００４４】
本実施の形態では、特に、カソード電極２側の内気を取り出す流出口１０に連なる流出管１４の一部がアノード電極３側の筐体５内部に連結されている。流出管１４のうちアノード電極３側の筐体５内部に連結されている割合は、必要な濃縮酸素濃度に応じて変えることができる。例えば、前記割合が５０％のときで、空気流入量が３００ｃｃ／ｍｉｎのときは、生成する濃縮酸素量は、約１５０ｃｃ／ｍｉｎとなり、濃度は３５〜４５％となる。このように、空気供給装置４を使用することで濃縮酸素の噴き出し量を増加させることができる。
【００４５】
このように、カソード電極２側の内気とアノード電極３側の内気を混合するようにすることにより、空気供給装置４によってカソード電極２側に空気を送り込むと同時に、アノード電極２側の酸素を押し出すことができる。流出管１４の全てがアノード電極３側の筐体５内部に連結されていると酸素を濃縮することはできないが、一部だけであれば、カソード電極２側の窒素を取り除くと同時に、分離酸素量を増加させ、また濃縮酸素の噴き出し流量を増加させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように、本発明にかかる酸素濃縮装置は、大気に比べて濃縮された高濃度酸素を大量に供給することができるので、吸入用高濃度酸素の応用製品として利用できる。このような電化製品として、例えば、エアコン、空器清浄器、送風機、酸素吸入器、またはそれらが機能の一部として組み込まれた製品が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における酸素濃縮装置の斜視図（ｂ）（ａ）の断面図
【図２】同酸素濃縮装置における電流電圧特性図
【図３】本発明の実施の形態２における酸素濃縮装置の斜視図
【図４】本発明の実施の形態３における酸素濃縮装置の断面図
【図５】本発明の実施の形態４における酸素濃縮装置の断面図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態５における酸素濃縮装置の斜視図（ｂ）（ａ）の断面図
【図７】本発明の実施の形態６における酸素濃縮装置の断面図
【図８】本発明の実施の形態７における酸素濃縮装置の断面図
【図９】従来例における酸素濃縮装置の断面図
【符号の説明】
【００４８】
１  固体電解質
２  カソード電極
３  アノード電極
４  空気供給装置
５  筐体
６  ヒータ
７  断熱材
８  流入口
９  流入管
１０  流出口
１２  加熱手段
１４  流出管
１５  酸素ポンプ阻止
１６  電源
【図１】
2006137992.tif 000003
【図２】
2006137992.tif 000004
【図３】
2006137992.tif 000005
【図４】
2006137992.tif 000006
【図５】
2006137992.tif 000007
【図６】
2006137992.tif 000008
【図７】
2006137992.tif 000009
【図８】
2006137992.tif 000010
【図９】
2006137992.tif 000011